用於改善OPC能力的主動光譜控制技術
[SST精選]用於改善OPC能力的主動光譜控制技術
Nigel Farrar, Wayne Dunstan, Robert Jacques, Cymer Inc., San Diego, CA
在先進的微影製程中，需要改善的光學近場校正(optical proximity correction，OPC )達到更嚴格的CD預算控制，雷射頻寬的變異是造成光學近場效應(optical proximity effect，OPE)的原因之一，使用先進的主動控制技術來使頻寬穩定及改善OPC模式，並結合雷射光學特性則能被用來降低OPE的誤差。
微影製程中，節距(pitch)間的臨界尺度(critical dimension，CD)的變異又稱為OPE，來自於曝光及製程條件的特性，並且對這些條件非常敏感，達到完全而有效的光罩OPC控制對維持穩定的製程是很重要的，當CD預算緊縮時，降低OPC的誤差會變得重要是由於在製程條件及機台操作參數中會產生變異，於曝光機台中，要特別注意那些參數對影像對比(image contrast)或OPE有最大的影響，如聚焦(focus)、劑量(dose)、部分同調性(partial coherence)、閃光(flare)及雷射頻寬(laser bandwith)等。
降低OPC的誤差
有二個方面可以降低OPC的誤差：第一，OPC 軟體的正確性需要有效地找出變異來源貢獻的模擬；第二，當 OPC 模式被建立在一組良好鑑定的製程條件下，這些條件必須要穩定地執行，以減少在製程進行中所產生的變化。本文敘述雷射頻寬對於OPE的特別貢獻，並討論近來針對減少OPE錯誤的貢獻上，在模擬技術及頻寬控制技術上的改進方式。
雷射頻寬對CD的影響已被研究了許多年[1-3]，該效應已知是來自於色像差(chromatic aberration)，掃描機的投影鏡頭造成的多重波長，於某些特定雷射光譜下使晶圓上的聚焦位置產生變化，並導致聚焦模糊而使影像對比損失。一般來說，孤立區域(iso features)相較於密集區域(dense features)的對比會較易產生聚焦模糊，而造成頻寬對孤立-密集區域修正的特別現象，在圖一表示ArF的模擬結果，最近的研究[4]比較了在某範圍節距之模擬與實驗的數據，顯示了雷射光的光學性質是形成OPE的一個重要因素，其輻度類似聚焦，劑量與部分同調性的偏移。
如圖一中的曲線為二次函數拋物線，表示了來自於頻寬所造成的CD變異可藉由頻寬變異與頻寬平均值的減少來達成，這二種方法是新製程世代所使用的雷射光源開發的重點，因為當較高的鏡頭數值孔徑(numerical aperture，NA)及使用較短波長時，頻寬變異的效應會增加。
在較高NA時，會增加對頻寬的CD變異敏感度，如圖一所示，我們可以看到在二個不同的NA，此效應於同範圍的頻寬穩定性是非常類似的，這主要是由於當使用較高NA的鏡頭時，會降低平均頻寬，然而，在低 k1及濕式ArF製程中，因為更緊的CD容忍度，使得頻寬穩定度的再增強是需要的，這種控制上的需求等級是強烈依賴特殊的設計與製程式控制制，可以使得CD頻寬的穩定度能被模擬出來。
當OPC模式被改善而考量雷射頻寬穩定度的效應及其它的影像系統的變異時，非常重要的是它要能提供對設備效能的正確敘述，並持續增加能預測這些誤差效應之模擬技術上的正確性，本文所提及的模擬結果是使用最新的技術，即是將雷射光譜形狀分解，應用在微影模擬器上來產生雷射頻寬效應的高正確計算方法[5]，圖二顯示了當用於敘述雷射光譜的方程式與實際狀況有誤差時，在可接受程度的正確性下，使用真實光譜形狀的重要性，使用全光譜資料通常會顯著增加計算時間，但是新的方法已被提出而可以降低100倍的模擬時間，並可以達到傳統方法0.1奈米之內的正確性[6]。
雖然全部的雷射光譜影響了OPE的結果，但是快速而立即的完整光譜的量測卻是非常困難的，實務上會使用頻寬計演算法來估計整個光譜，常用的計演算法有FWHM(full width at half-maximum，半高寬法)及E95二種，E95定義為包含95%積分光譜強度時的光譜寬度，先前的研究已說明瞭E95頻寬法對OPE變異有較佳的結果[1]，雖然過去的E95量測技術的正確性會被限制於不同的系統誤差的靈敏度，但是近來的頻寬測量技術[7]已提供了加強精準度與正確度的方法，進而發展出新的頻寬控制策略，其他的頻寬測量技術也被提出並正在驗證中[8]。
穩定的E95頻寬
穩定的E95頻寬已是現在微影雷設設計的一個重點，且以往在頻寬穩定度的改善也得到了一些回報，例如在放電區減少聲擾動(acoustic disturbances)及降低光學功率負載(optical power loading)的敏感度等技術可提昇頻寬穩定度，雖然過去的寬頻穩定技術可有效地符合OPE控制上的需求，但在未來，更緊的OPE規範，將會需要主動控制技術所提供的更精準的效能，主動控制技術使用回饋或前饋控制(feedback or feedforward control)來使光源的頻寬穩定，並且使其他主要的效能的規格能良好的維持。
這種主動光譜控制(active spectral control，ASC)方法強烈依賴即時的先進方法及精準統計學來量測E95的頻寬，並適時地改變頻寬。主動控制不僅是能改善E95的頻寬，並且能使E95的頻寬達到正確的設定值，正確選擇E95的值，可減少OPE，並使機台間的吻合性提高。
雷射頻寬的變異可被分類為時間級別(time scale)及在E95的變異幅度(magnitude)，例如，當雷射能量設定值往E95較低的幅度改變時，會發生非常快的時間級別，通常從毫秒至秒，當點火時間與非點火時間的比值，又稱為作業週期(duty cycle)改變，及氣體耗盡時會影響E95的頻寬於數秒至數小時的時間級別，並帶來較大的幅度改變。光學元件的老化，經驗上會帶來數天至數週的時間級別，這是最大的幅度改變，為了最佳化的雷射頻寬的主動控制，至少一種雙階段的設計是必需的，以將這些大範圍的變異幅度及時間級別予以互補，該二階段的工作會在雷射的操作過程中進行頻寬控制，一個粗調整器會針對低頻工作來進行修正，例如較大的E95設定值的改變、氣體耗盡效應及作業週期改變時帶來的長時間級別效應等，一個細調整器會針對高頻擾動，但是較小的幅度的工作來進行修正，如雷射能量及作業週期快速變動時的改變，粗調整器也會對細調整器進行中心值的調整。
粗頻寬控制
一個例子的F2粗控制法為調整F2氣體注入，即改變雷射腔體中的F2濃度。增加F2濃度會增加雷射強度並加速建立孔穴(cavity)中的能量。該儲存的能量會更快的被耗盡，因為會有更多的激發放射，所以雷射會在振盪臨界點(oscillation threshold)存在更少時間，這會造成更少的雷射往返行程(round trips)，也就會減少光線的窄化，於是E95的頻寬增加了，所以要減少腔體中F2的濃度來達到相反的效應。
調整F2的濃度可提供足夠範圍的頻寬控制，使來自於長期的作業週期變異，氣體老化及元件老化等造成的變異得以進行校正。使用此技術的優點是對E95頻寬是一種粗調整，即是一種對腔體其他效能參數產生慢速的效果，使得例如快速調整參數－能量、波長及時間等能有效控制地不互相干擾，並且不會帶來誤差。
細頻寬控制
細頻寬控制的一個例子是相對時間延遲(relative time delay)又稱為DtMOPA之調整，相對時間延遲其定義是在雷射的雙腔體中，介於主震盪(master-oscilator，MO)腔體與功率放大(power-amplifier，PA)腔體之間的時間延遲，當MO脈衝在其存在狀態變得線性越來越窄時，並且假若PA腔體相對於MO腔體較慢點火，會使MO脈衝朝向更窄的線寬，這會使得雷射的E95頻寬減少，使用這種差異式的點火時間作為E95頻寬的細調整方式，主要有二個優點：第一，E95的測量及DtMOPA的改變會發生在數十個脈衝的時間等級，並允許非常快的頻寬控制；第二，這種非常緊的雷射脈衝設計的時間控制能力，可以做到某種範圍的調整，使得造成頻寬變化的來源如雷射能量與操作循環等變異，可以有足夠的校正能力。
於正常的雷射操作，DtMOPA會持續的被監控，並且雷射的效率會進行最佳化的調整，如圖三所示，在效率區線的尖峰，脈衝能量穩定度對時間跳動是最不敏感的，且該系統可以於相對較差的時間控制下運作，然而，其他的雷射效能參數，包含頻寬及單調性的時間偏移變化，為了要維持穩定性，皆需要高度正確的時間控制，在Cymer XLA雷射的單獨電源設計上，可提供次奈秒的時間控制，可允許所有的效能規格可達到一定範圍的DtMOPA值，並維持其優良的穩定性，而不僅是將時間偏移做最佳化而已。這種設計概念採用快速的時間回饋控制，並提供了較佳的頻寬穩定度。
圖四顯示了這個雙階段控制器即DtMOPA(細調)及F2注入(粗調)的整體效能，數據表示了在7小時的測試中，每30秒E95頻寬的最大與最小值會被測量，下方曲線表示只有粗調整器在作用，上方曲線表示了細調整器也加入穩定E95的頻寬，而達到0.35pm的設定值，這種改善是顯而易見的，E95頻寬已被穩定至頻寬量測方法的界限之內，此結果僅使用回饋控制而若加上前饋控制則會有更佳的改善。
這種DtMOPA控制器，並不是針對單一腔體系統的一個採用項目，也是一種可以將線寬窄化模組(linewidth-narrowing module，LNM)的格子表面處理為曲面之精細控制器的好選擇，藉由雷射的線寬窄化元件的格子表面處理為光學性的波，對E95頻寬產生精細解析度是一種相對快速而有效的光學方法。
結論
更緊的CD控制與OPE需求，需要更精確的模擬來達到令人信服的新要求，且可以將所有的製程參數控制好，雷射頻寬對CD的變異是目前正在調查的一個因數，我們展示了更快、更正確的模擬工具，使得雷射頻寬可以來改進OPC模式的正確性，並且確認為未來在頻寬控制上的主要需求。
雖然被動式的頻寬控制法對現在CD控制的目標可達到需求，但主動控制法正在發展以提供下一階段在E95頻寬穩定及控制上的需求，我們說明瞭一種二階段控制技術可對幅度及時間等級進行頻寬主動調整，F2注入、DtMOPA及LNM格子表面變為曲面是一種運用粗或是細的控制器的作法，結合這些控制技術並採用最先進的E95頻寬量測技術可以得到高效能的E95穩定性及控制性，未來會進行三階段的控制器，以達到更高階的頻寬控制。S